Quelques centaines de milliers d'années après le Big Bang, la soupe chaude et jeune de notre univers s'est suffisamment refroidie pour que les plus petits éléments constitutifs de la vie se combinent en atomes pour la première fois. Un jour doux de 6700 degrés Fahrenheit (3700 degrés Celsius), un atome d'hélium s'est glissé sur un seul proton - en fait un ion hydrogène chargé positivement - et la toute première molécule de l'univers a été formée: l'hydrure d'hélium ou HeH +.
Les scientifiques ont étudié les versions fabriquées en laboratoire de cette molécule primordiale pendant près d'un siècle, mais ils n'en ont jamais trouvé de traces dans notre univers moderne - jusqu'à présent. Dans une nouvelle étude publiée aujourd'hui (17 avril) dans la revue Nature, les astronomes rapportent leur utilisation d'un télescope aéroporté pour détecter HeH + fumant dans le nuage de gaz autour d'une étoile mourante à environ 3000 années-lumière de là.
Selon les chercheurs, cette découverte, qui a duré plus de 13 milliards d'années, montre de manière concluante que HeH + se forme naturellement dans des conditions similaires à celles trouvées dans l'univers primitif.
"Bien que HeH + ait une importance limitée sur Terre aujourd'hui, la chimie de l'univers a commencé avec cet ion", a écrit l'équipe dans la nouvelle étude. "La détection sans ambiguïté rapportée ici amène enfin une recherche longue de plusieurs dizaines d'années à une fin heureuse."
La première molécule de l'univers
HeH + est l'acide le plus puissant connu sur Terre et a été synthétisé pour la première fois dans un laboratoire en 1925. Parce qu'il est fabriqué à partir d'hydrogène et d'hélium - les deux éléments les plus abondants de l'univers et les premiers à émerger du réacteur nucléaire du Big Bang 13,8 milliards Il y a des années - les scientifiques ont longtemps prédit que la molécule était la toute première à se former lorsque l'univers de refroidissement permettait aux protons, neutrons et électrons d'exister côte à côte dans les atomes.
Les scientifiques ne peuvent pas rembobiner l'univers pour chasser cette molécule naissante où il est né, mais ils peuvent le chercher dans des parties de l'univers moderne qui reproduisent le mieux ces conditions superhot, superdenses - dans les jeunes nébuleuses de gaz et de plasma qui explosent d'étoiles mourantes.
Ces soi-disant nébuleuses planétaires se forment lorsque les étoiles semblables au soleil atteignent la fin de leur vie, emportent leurs coquilles extérieures et se transforment en naines blanches pour se refroidir lentement en boules de cristal. Pendant que ces étoiles mourantes se refroidissent, elles rayonnent encore assez de chaleur pour éliminer les atomes d'hydrogène à proximité de leurs électrons, transformant les atomes en protons nus nécessaires à la formation de HeH +.
Détecter HeH + même dans les nébuleuses planétaires les plus proches de la Terre est délicat, car il brille à une longueur d'onde infrarouge qui est facilement masquée par l'atmosphère de notre propre planète. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont contourné cette brume atmosphérique en utilisant un télescope de haute technologie monté sur un avion en mouvement appelé SOFIA (l'observatoire stratosphérique pour l'astronomie infrarouge).
Au cours de trois vols en 2016, l'équipe a entraîné le télescope de SOFIA sur une nébuleuse planétaire appelée NGC 7027, à environ 3000 années-lumière de la Terre. L'étoile centrale de la nébuleuse est l'une des plus chaudes connues dans le ciel, ont écrit les chercheurs, et on estime qu'elle n'a perdu son enveloppe extérieure qu'il y a environ 600 ans. Parce que la nébuleuse environnante est si chaude, jeune et compacte, c'est un endroit idéal pour chasser les longueurs d'onde HeH +. Selon les chercheurs, c'est exactement là où SOFIA les a trouvés.
"La découverte de HeH + est une démonstration spectaculaire et magnifique de la tendance de la nature à former des molécules", a déclaré dans un communiqué le co-auteur de l'étude, David Neufeld, professeur à l'Université Johns Hopkins de Baltimore. "Malgré les ingrédients peu prometteurs qui sont disponibles, un mélange d'hydrogène avec l'hélium, un gaz noble non réactif, et un environnement hostile à des milliers de degrés Celsius, une molécule fragile se forme."
